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Die Erfindung geht von einem Ventil für einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aus.
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Ein derartiges Niederdruck-Klappenventil ist aus der
DE 10 2007 055 422 A1 bekannt und wird vor allem zur Steuerung der Abgasrückführung bei Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der Schließkörper des Ventils ist eine Klappe, welche drehfest an einer Welle befestigt ist und von einem direkt mit der Welle verbundenen elektromagnetischen Stellantrieb verschwenkt wird. Durch Verschwenken der Klappe lässt sich der Massenstrom des zurückgeführten Abgases steuern. Derartige Klappenventile haben bei relativ kleiner Baugröße einen relativ großen freien Querschnitt und ermöglichen dadurch einen hohen Massendurchsatz bei geringem Druckgefälle. Sie werden deshalb bevorzugt dann eingesetzt, wenn Abgas aus dem Niederdruckabgasstrang entnommen wird.
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Eine Abgasrückführung wird eingesetzt, um die Emissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere Stickoxide und andere Schadstoffe, zu verringern. Die gesetzlichen Emissionsanforderungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für solche in Kraftfahrzeugen, sind vor allem in Europa und Nordamerika in den letzten Jahren bereits stark gestiegen und verschärfen sich in den kommenden Jahren noch erheblich.
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Ein Klappenventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist auch aus der
DE 10 2006 060 876 A1 bekannt, bei welchem zur Verbesserung der Dichtigkeit in seiner Schließstellung die Klappe mit einer Kraft derart beaufschlagt wird, dass das Gehäuse im Bereich zumindest einer Anschlagfläche und/oder die Klappe an ihrem Randbereich bleibend verformt wird. Aus der
DE 10 2011 106 744 B3 ist eine Ventilvorrichtung zur Regelung eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Klappe bekannt, wobei die Klappe zwei biegesteife Stützscheiben mit einem ersten Umfang und einem zwischen den Stützscheiben angeordneten, elastischen Klappenkörper mit einem allseitig größerem Umfang aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Außenumfang des elastischen Klappenkörpers und dem Außenumfang der Stützscheiben im Bereich der Wellenachse am größten ist und bei einem Winkel von 90° zur Wellenachse am kleinsten ist. In der
DE 11 2011 105 111 T5 ist eine Absperrklappe offenbart, welche in einem Abgasrückführventil zum Einsatz kommen kann und einen im Wesentlichen kreisfömigen Klappenkörper mit einer Durchgangsbohrung enthält, mit welcher der Klappenkörper drehfest auf einer Welle sitzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem Brennkraftmaschinen die zukünftig geforderten, verringerten Emissionsanforderungen erreichen.
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Die Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Ventil ist ein Niederdruckventil und kann als Abgasrückführventil bei der Abgasrückführung eingesetzt werden. Das Ventil hat ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung sowie mit einem Kanal zur Führung von Abgasen von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung.
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Die Einlassöffnung kann mit einem Niederdruckabgasstrang der Brennkraftmaschine verbunden werden. Die dort vorherrschenden Abgastemperaturen sind wesentlich geringer als im Hochdruckabgasstrang und liegen bei etwa 160°C bis 180°C. Die Auslassöffnung des Ventils kann mit einem Frischluftkanal verbunden werden, welcher der Brennkraftmaschine die zur Verbrennung notwendige Frischluft zuführt, insbesondere in einem Bereich, nachdem die Frischluft einen Luftfilter passiert hat und bevor die Frischluft in einen Verdichter eintritt. In dem Kanal ist ein Schließkörper angeordnet, welcher drehfest in einer Ausnehmung einer Welle sitzt, und insbesondere aus Metall besteht. Der Schließkörper kann eine Klappe bilden. Der Schließkörper kann durch eine Platte, insbesondere durch eine Blechplatte, gebildet werden. Die Ausnehmung in der Welle kann zumindest einen radial durch die Welle hindurchgehenden Schlitz aufweisen, in welchem der Schließkörper steckt. Der Schließkörper ist um die Drehachse der Welle schwenkbar und hat eine Schließstellung, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals von einem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals trennt. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Ventil somit insbesondere um ein Klappenventil. Das Ventil wird zur Steuerung eines Abgas-Massenstromes eingesetzt, welcher zur Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
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Das Ventil kann einen mit der Welle verbundenen elektromagnetischen Stellantrieb aufweisen, welcher als Direktantrieb unmittelbar auf der Welle sitzen kann. Der elektromagnetische Stellantrieb kann einen Magnetrotor enthalten, welcher drehfest mit der Welle verbunden ist. Er kann auch einen von der Welle durchsetzten Spulenkörper enthalten. An dem dem Schließkörper abgewandten Ende der Welle kann ein Sensorelement angeordnet sein, um den aktuellen Schwenkwinkel des Schließkörpers zu messen. Die Welle kann vorzugsweise auf nur einer Seite des Schließkörpers im Gehäuse drehbar gelagert sein. Die Lagerung enthält bevorzugt ein zwischen dem Schließkörper und dem Magnetrotor angeordnetes Kugellager, welches insbesondere dicht an dem Magnetrotor angeordnet ist, um die hohen Magnetkräfte sicher aufnehmen zu können.
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Der Schließkörper weist zwei Seiten auf, von denen eine erste Seite in der Schließstellung des Schließkörpers dem stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals zugewandt ist und von denen eine zweite Seite in der Schließstellung des Schließkörpers dem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals zugewandt ist. Der Schließkörper hat eine Umfangsfläche, welche zwischen den beiden Seiten des Schließkörpers angeordnet ist. Die Umfangsfläche des Schließkörpers kann – in einer Queransicht quer zur Drehachse der Welle auf eine der Seiten des Schließkörpers – eine im Folgenden auch als „Schließkörperkontur” bezeichnete Außenkontur des Schließkörpers bilden. Die Schließkörperkontur kann kreisförmig oder ellipsenförmig sein. Die Umfangsfläche des Schließkörpers erstreckt sich durch die Ausnehmung in der Welle bzw. durch den Schlitz in der Welle.
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Die Umfangsfläche des Schließkörpers weist Abschnitte mit unterschiedlichen Außenmaßen auf. Ein erstes Außenmaß der Umfangsfläche des Schließkörpers in einem ersten Abschnitt ist kleiner als das kleinste Innenmaß zwischen den Endbereichen der Ausnehmung der Welle, in welcher der Schließkörper sitzt. Dabei werden alle genannten Maße, also alle Außenmaße der Umfangsfläche des Schließkörpers und die Innenmaße der Ausnehmung in der Welle parallel zueinander entlang der Drehachse der Welle gemessen. Ein zweites Außenmaß der Umfangsfläche des Schließkörpers in einem zweiten Abschnitt ist größer als das kleinste Innenmaß der Ausnehmung in der Welle. Die Umfangsfläche des Schließkörpers liegt in jedem der beiden Endbereiche der Ausnehmung an der Welle an. Bei einer Verschiebung der Schließkörpers in der Ausnehmung der Welle in einer parallel zur Erstreckungsebene des Schließkörpers und quer zur Drehachse der Welle orientierten Richtung wird seine Verschiebung durch ein Anschlagen seiner Umfangsfläche an der Welle begrenzt.
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Das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Mit einem erfindungsgemäßen Ventil lässt sich die zur Brennkraftmaschine zurückgeführte Menge des Abgases präzise steuern, so dass weder zu viel noch zu wenig Abgas zurückgeführt wird. Eine Abgasrückführung dient an sich dazu, Stickoxide und andere Schadstoffe zu reduzieren. Ist der zur Brennkraftmaschine zurückgeführte Massenstrom des Abgases jedoch zu hoch, kann es zu vermehrter Rußbildung, höherem Kraftstoffverbrauch und geringerer Leistung der Brennkraftmaschine kommen. Eine erhöhte Rußbildung führt dazu, dass sich der bei modernen Dieselmotoren vorhandene Rußfilter schneller zusetzt. Ein erhöhter Kraftstoffverbrauch erhöht in unerwünschter Weise die Kohlendioxid-Emissionen.
- • Mit dem erfindungsgemäßen Ventil lässt sich eine sehr präzise Steuerung des Massenstroms des zurückgeführten Abgases erreichen. Es lässt sich, insbesondere bei einer unter hoher Last laufenden Brennkraftmaschine, der Massenstrom des der Brennkraftmaschine zurückgeführten Abgases in einer für moderne Motoren erforderlichen Weise definiert reduzieren, dass, insbesondere auch bei Volllast, nicht mehr als die gewünschte Menge Abgas zurückgeführt wird. Hierdurch lassen sich die Emissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Volllast, verringern, da hierbei eine zu hohe Menge an zurückgeführtem Abgas keine optimale Verbrennung ermöglicht.
- • Unter Beibehaltung des strömungstechnisch günstigen Prinzips eines Klappenventils lässt sich der Leckage-Massenstrom des Abgases, welcher trotz eines in Schließstellung geschwenkten Schließkörpers noch von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung des Ventils gelangen kann, bei dem erfindungsgemäßen Ventil sehr stark reduzieren. Insbesondere wird ein radial durch die Welle hindurch laufender Leckagepfad geschlossen, welcher durch die Ausnehmung in der Welle an der Umfangsfläche des Schließkörpers entlang verläuft und in der vergrößerten Darstellung der 2 der DE 10 2007 055 422 A1 erkennbar ist.
- • Bei modernen Motoren werden im Niederdruckabgasstrang zusätzliche Katalysatoren und Einrichtungen zur Abgasbehandlung, beispielsweise unter Ammoniak-Zugabe, angeordnet. Diese Katalysatoren und Einrichtungen sind im Abgasstrang nach der Anschlussstelle der Einlassöffnung des erfindungsgemäßen Ventils angeordnet. Die Katalysatoren und Einrichtungen zur Abgasbehandlung erhöhen den Strömungswiderstand im Abgasstrang, so dass sich der an der Einlassöffnung des Ventils anstehende Druck erhöht. Ein erfindungsgemäßes Ventil ist auch in diesen Fällen noch sehr gut in der Lage, den Abgas-Massenstrom präzise zu steuern und gleichzeitig den geforderten geringen Leckage-Massenstrom bei in Schließstellung befindlichem Schließkörper zu gewährleisten.
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In Ausgestaltung kann der Kontakt zwischen der Umfangsfläche des Schließkörpers und der Welle durch eine Linienberührung gebildet werden. Die Linienberührung kann innerhalb der Ausnehmung der Welle liegen und insbesondere geradlinig verlaufen. Hierdurch wird die Abdichtung weiter verbessert.
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In weiterer Ausgestaltung kann die Umfangsfläche des Schließkörpers – in der Queransicht quer zur Drehachse der Welle auf eine der Seiten des Schließkörpers gesehen – zumindest eine Anschlagschulter aufweisen, welche in einem der beiden Endbereiche der Ausnehmung an der Welle anliegt. Die Blickrichtung verläuft bei der Queransicht senkrecht zur Erstreckungsebene des Schließkörpers, welche zwischen den beiden Seiten des Schließkörpers, insbesondere parallel dazu, verläuft. Alternativ zu der Queransicht kann auch eine Schnittansicht durch die Welle und den Schließkörper, deren Schnittebene parallel zur Drehachse der Welle zwischen den beiden Seiten des Schließkörpers verläuft, geeignet sein. Im Falle von nur einer Anschlagschulter liegt der Schließkörper mit einem schulterfreien Abschnitt an dem anderen Endbereich der Ausnehmung an der Welle an. Die Umfangsfläche des Schließkörpers kann zwei Anschlagschultern aufweisen, von denen jede in einem der beiden Endbereiche der Ausnehmung an der Welle anliegt. Die wenigstens eine Anschlagschulter enthaltende Schließkörperkontur bewirkt ein gutes Abdichten.
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In weiterer Ausgestaltung kann zwischen dem ersten Abschnitt des Schließkörpers und dem zweiten Abschnitt des Schließkörpers – in der Queransicht quer zur Drehachse der Welle auf eine der Seiten des Schließkörpers gesehen – eine in der Erstreckungsebene des Schließkörpers verlaufende Tangente an die Umfangsfläche des Schließkörpers anlegbar sein, insbesondere im Bereich der Anschlagschulter. Die Umfangsfläche des Schließkörpers, insbesondere die Anschlagschulter, kann in der Queransicht auch einen Geradenabschnitt enthalten. Insbesondere kann sich an jeder der Anschlagschultern ein Geradenabschnitt oder eine Tangente befinden. Die Tangente oder der Geradenabschnitt weisen einen Winkel von höchstens 45°, insbesondere von höchstens 30°, zu der Drehachse der Welle auf. Hierdurch wird ein relativ steiler Übergang von dem ersten Abschnitt der Umfangsfläche des Schließkörpers, dessen Außenmaß kleiner als das kleinste Innenmaß der Ausnehmung der Welle ist, und dem zweiten Abschnitt der Umfangsfläche des Schließkörpers, dessen Außenmaß größer als das kleinste Innenmaß der Ausnehmung der Welle ist, gewährleistet, so dass der Schließkörper beim Einschieben quer zur Drehachse der Welle in die Ausnehmung in der Welle in einer präzise vordefinierten Position an der Welle anschlägt und die Ausnehmung in der Welle abdichtet.
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Das erste Außenmaß der Umfangsfläche des Schließkörpers, welches kleiner als das kleinste Innenmaß der Ausnehmung der Welle ist, ist erforderlich, damit der Schließkörper bei der Montage in die Ausnehmung der Welle hineingeschoben werden kann. Zur Gewährleistung einer einfachen Montage kann die Differenz des ersten Außenmaßes zu dem kleinsten Innenmaß der Ausnehmung von 0,03 mm bis 0,4 mm, insbesondere etwa 0,05 mm, betragen. Das zweite Außenmaß der Umfangsfläche des Schließkörpers in dem zweiten Abschnitt kann einige Zehntel Millimeter größer als das kleinste Innenmaß der Ausnehmung der Welle sein. Das zweite Außenmaß kann insbesondere so groß gewählt werden, dass der Schließkörper sich in der Ausnehmung in der Welle nicht verkantet oder verhakt. Eine Anlage der Umfangsfläche des Schließkörpers an der Welle in jedem der beiden Endbereiche der Ausnehmung sollte trotz des Spiels des Schließkörpers in der Ausnehmung gewährleistet sein. Die Differenz des zweiten Außenmaßes der Umfangsfläche des Schließkörpers zu deren ersten Außenmaß kann 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,6 mm bis 1 mm, betragen, insbesondere wenn die Schließkörperkontur zwei Anschlagschultern aufweist. Für eine Anschlagschulter kann die Differenz des zweiten Außenmaßes der Umfangsfläche des Schließkörpers zu deren ersten Außenmaß 0,3 mm bis 0,5 mm betragen.
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In weiterer Ausgestaltung können an der inneren Wandung des Kanals im Bereich des Schließkörpers zwei längliche Vorsprünge angeordnet sein, welche in den Kanal hineinragen und sich mit ihrer Längsrichtung in Umfangsrichtung des Kanals erstrecken. Einer der Vorsprünge kann sich in dem stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals befinden und der andere Vorsprung kann sich in dem stromabwärtigen Abschnitt des Kanals befinden. Die Vorsprünge können sich somit auf gegenüberliegenden Seiten des Schließkörpers befinden. Jeder der Vorsprünge kann einen in Längsrichtung des Kanals weisenden Ventilsitz aufweisen, wobei die beiden Ventilsitze in entgegengesetzte Richtungen weisen. Der Schließkörper kann zwei Dichtflächen aufweisen, von denen jede in der Schließstellung des Schließkörpers an einem der Ventilsitze anliegt und durch Schwenken des Schließkörpers aus seiner Schließstellung heraus von dem jeweiligen Ventilsitz abhebbar ist. Die Dichtflächen sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schließkörpers angeordnet.
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Das Ventil kann eine Dichtung aus einem Polymer enthalten, die an den Ventilsitzen angeordnet ist. Die Dichtung ist elastisch und besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, bevorzugt aus einem Fluorkautschuk (FKM), welcher vorzugsweise peroxidisch vernetzt ist. Die Dichtung ist temperaturbeständig, bevorzugt bis 200°C, und ist beständig gegen die im Abgas vorhandenen aggressiven Substanzen. Die Dichtung ist an dem zu dem jeweiligen Ventilsitz gehörenden Vorsprung befestigt und wird in der Schließstellung des Schließkörpers von der zugehörigen Dichtfläche des Schließkörpers dichtend kontaktiert. In jedem der Endbereiche der Ausnehmung in der Welle hat die Welle eine kreiszylindrische Umfangsfläche, die koaxial zur Drehachse der Welle angeordnet ist. Die Dichtung kann sich in Umfangsrichtung der Welle erstrecken und liegt zumindest an dem dem stromaufwärtigen Abschnitt des Kanals zugewandten Bereich jeder der kreiszylindrischen Umfangsflächen der Welle dichtend an. Eine derartige Dichtung in Kombination mit einer erfindungsgemäßen Abdichtung der Umfangsfläche des Schließkörpers gegenüber der Ausnehmung in der Welle ermöglicht eine besonders starke Reduzierung des Leckage-Massenstromes durch das Ventil.
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Die Dichtung ist insbesondere einstückig ausgebildet, kann jedoch auch aus mehreren voneinander getrennten Abschnitten gebildet werden, welche dichtend aneinander anliegen. Insbesondere umgibt die Dichtung den gesamten Umfang der Welle und liegt entlang ihres gesamten Umfangs dichtend an. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtung auch den Durchgang in der Wandung des Kanals abdichtet, durch welchen sich die Welle zu ihrer Lagerung und dem Stellantrieb erstreckt. Auf eine separate Lagerabdichtung kann damit verzichtet werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Dichtung in ihrem an der kreiszylindrischen Umfangsfläche der Welle anliegenden Abschnitt an der Wandung des Kanals befestigt ist und bei Verschwenken des Schließkörpers über die Welle gleitet. Dies hat die Vorteile, dass der Querschnitt der Welle nicht durch eine Ringnut geschwächt wird, dass die Welle einfacher herstellbar ist und dass sich die Dichtung beim Verschwenken des Schließkörpers nicht im Gehäuse bewegt.
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Die Dichtung verhindert eine direkte Berührung zwischen dem Schließkörper und dem Gehäuse. Dies verringert durch die Abgase hervorgerufene Korrosion an dem Schließkörper und/oder dem Gehäuse, wenn das Gehäuse und/oder der Schließkörper aus Metall, insbesondere Aluminium, bestehen. Selbst wenn an einer Dichtfläche des Schließkörpers ein korrosiver Angriff erfolgen und dort Unebenheiten entstehen sollten, so kann die Dichtung aufgrund ihrer Elastizität diese Unebenheiten ausgleichen und dadurch verhindern, dass sich die Leckage erhöht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Dichtung in einem Abschnitt, der zwischen ihrem an der Welle anliegenden Abschnitt und einem an einem der Vorsprünge befestigten Abschnitt liegt, eine sich in axialer Richtung der kreiszylindrischen Umfangsfläche der Welle erstreckende Dichtlippe auf, welche an der kreiszylindrischen Umfangsfläche der Welle dichtend anliegt und bei Verschwenken des Schließkörpers über die Welle gleitet. Hierdurch lässt sich besonders gut der in Umfangsrichtung um die Welle umlaufende Leckagepfad abdichten und ein besonders niedriger Leckage-Massenstrom erreichen. Durch die Dichtlippe wird somit eine sehr gute Abdichtung des Schließkörpers in seiner Schließstellung erreicht. Bevorzugt findet zwischen der Dichtlippe und der kreiszylindrischen Umfangsfläche der Welle nur eine linienförmige Berührung statt, welche parallel zur Drehachse der Welle orientiert ist. Dadurch findet an der Berührungslinie nur eine geringe Reibung statt, welche eine lange Lebensdauer der Dichtung und niedrige Hystereseverluste gewährleistet. Als „Hystereseverluste” werden Stromschwankungen im Stellantrieb bezeichnet, welche beim Anfahren eines bestimmten Schwenkwinkels des Schließkörpers in Abhängigkeit davon auftreten können, ob dieser Schwenkwinkel aus der geöffneten Stellung oder aus der Schließstellung des Schließkörpers angefahren wird. Sind die Hystereseverluste gering, vereinfacht sich die Ansteuerung des Stellantriebs.
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Das Gehäuse des Ventils kann aus einem temperaturbeständigen, faserverstärkten, beispielsweise glasfaserverstärkten, Thermoplast, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten PA 6 oder PPA, bestehen. Hierdurch kann das Gewicht des Gehäuses reduziert und dadurch der Kraftstoffverbrauch der in einem Kraftfahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine verringert werden. Außerdem wird die Korrosionsbeständigkeit des Ventils weiter erhöht.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil,
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2 einen Schnitt entlang der Schnittfläche II-II der 1 auf das Ventil,
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3 die Dichtung aus dem Ventil in einer Ansicht entsprechend 1 in vergrößerter Darstellung,
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4 die Dichtung aus dem Ventil in einer Ansicht entsprechend 2 in vergrößerter Darstellung,
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5 eine perspektivische Darstellung eines entlang der Schnittfläche II-II der 1 geschnittenen Ventils,
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6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Ventils,
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7 eine teilweise geschnittene Queransicht des Ventils der 6,
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8 eine vergrößerte Darstellung des mit dem Pfeil VIII der 7 bezeichneten Bereichs des Schließkörpers und der Ventilwelle,
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9 eine schematische Darstellung eines Teils des Schließkörpers und der Ventilwelle entlang der Schnittfläche IX-IX der 2 beziehungsweise ähnlich 8,
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10 bis 13 Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen entsprechend 9,
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14 eine weiter vergrößerte Darstellung eines Teils des Schließkörpers und der Ventilwelle ähnlich der 8,
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15 eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform der 14.
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Ventile 1 für einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 und 2 sowie 6 und 7 haben ein Gehäuse 2 mit einer Einlassöffnung 3 und einer Auslassöffnung 4. Das Gehäuse 2 enthält einen Kanal 5 zur Führung von Abgasen von der Einlassöffnung 3 zu der Auslassöffnung 4. In dem Kanal 5 ist ein Schließkörper 6 angeordnet, welcher als Platte ausgebildet ist und als Klappe wirkt. Der Schließkörper 6 sitzt drehfest in einer Ausnehmung in einer Welle 7 und ist um die Drehachse 8 der Welle schwenkbar. Der Schließkörper hat eine Schließstellung, in welcher er einen stromaufwärtigen Abschnitt 9 des Kanals 5 von einem stromabwärtigen Abschnitt 10 des Kanals 5 trennt.
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In den 2 und 5 ist der Schließkörper 6 in geöffneter Stellung dargestellt. Abgase aus einem nicht dargestellten Niederdruck-Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher in nicht dargestellter Weise mit der Einlassöffnung 3 verbunden ist, können den Kanal 5 in Strömungsrichtung A durchströmen und über die Auslassöffnung 4, welche in nicht dargestellter Weise mit einem Frischluftkanal des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wieder zur Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zurückgeführt werden. In seiner in 2 dargestellten Position ist der Schließkörper 6 maximal geöffnet. Der Schließkörper 6 steht dabei parallel zur Längsrichtung 11 des Kanals 5. Der Kanal 5 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Der Schließkörper 6 weist eine kreisförmige oder elliptische Außenkontur auf.
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In den 1 und 6 ist der Schließkörper 6 in seiner Schließstellung dargestellt. Der Schließkörper 6 ist quer zur Längsrichtung 11 des Kanals 5 orientiert und sperrt den Kanal 5, so dass der Durchgang von der Einlassöffnung 3 zu der Auslassöffnung 4 geschlossen ist.
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Das Ventil 1 weist einen mit der Welle 7 verbunden elektromagnetischen Stellantrieb 12 auf, welcher in nicht dargestellter, aber an sich bekannter Weise, einen drehfest mit der Welle 7 verbunden Magnetrotor und einen von der Welle durchsetzten Spulenkörper enthält. Das Gehäuse 2 enthält einen Flansch 13 an welchem der Stellantrieb 12 mit Schrauben 14 befestigt ist. Die Welle 7 ist nur auf einer Seite des Schließkörpers 6 im Gehäuse gelagert und zwar über ein Kugellager 15. Ein weiteres nicht dargestelltes Lager für die Welle 7 kann innerhalb des Stellantriebs 12 angeordnet sein. Auf der dem Kugellager 15 gegenüberliegenden Seite des Schließkörpers 6 befindet sich keine Lagerung. Im Gehäuse 2 ist ferner eine Rückstelleinrichtung 16 angeordnet, welche den Schließkörper 6 in seine Schließstellung verschwenkt, wenn der Stellantrieb 12 nicht angesteuert wird oder ausfällt.
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An der inneren Wandung des Kanals 5 im Bereich des Schließkörpers 6 sind zwei längliche Vorsprünge 17 und 18 angeordnet, welche in den Kanal 5 hineinragen und sich mit ihrer Längsrichtung in Umfangsrichtung des Kanals 5 erstrecken. Der Vorsprung 17 befindet sich in dem stromaufwärtigen Abschnitt 9 des Kanals 5 und der Vorsprung 18 befindet sich in dem stromabwärtigen Abschnitt 10 des Kanals 5. Die Vorsprünge 17, 18 liegen somit auf gegenüberliegenden Seiten des Schließkörpers 6. Der Vorsprung 17 hat einen Ventilsitz 19, welcher in Längsrichtung 11 zu dem stromabwärtigen Abschnitt 10 des Kanals 5 weist. Der Vorsprung 18 hat einen Ventilsitz 20, welcher in Längsrichtung 11 zu dem stromaufwärtigen Abschnitt 9 des Kanals 5 weist. Der Schließkörper 6 weist zwei einander gegenüberliegende Seiten 21, 22 auf. Jede der Seiten 21, 22 enthält jeweils eine Dichtfläche zur Anlage an den Ventilsitzen 19, 20. In Schließstellung des Schließkörpers 6 liegt die Dichtfläche 21 am Ventilsitz 19 und die Dichtfläche 22 am Ventilsitz 20 an. Durch Herausschwenken des Schließkörpers 6 aus seiner Schließstellung werden die Dichtflächen 21, 22 von ihrem jeweiligen Ventilsitz 19, 20 abgehoben.
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Das Ventil 1 enthält eine Dichtung 30, welche insbesondere in den 3 und 4 erkennbar ist. Die Dichtung 30 ist einstückig ausgebildet, besteht aus FKM und hat mehrere Funktionsabschnitte 31, 32, 33, 34, 35. Die Dichtung 30 könnte jedoch auch mehrteilig ausgestaltet sein, beispielsweise indem die einzelnen Funktionsabschnitte 31, 32, 33, 34 und/oder 35 als getrennte Dichtungen ausgeführt würden, welche dichtend aneinander anliegen. Der Einfachheit halber wird im Folgenden von „Dichtungen 31, 32, 33, 34, 35” gesprochen, auch wenn diese bevorzugt einstückig miteinander verbunden sind.
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An dem Ventilsitz 19 ist eine Dichtung 31 angeordnet, welche an dem Vorsprung 17 befestigt ist und in der Schließstellung des Schließkörpers 6 von der Dichtfläche 21 dichtend kontaktiert wird. Eine Dichtung 32 ist am Ventilsitz 20 angeordnet und an dem Vorsprung 18 befestigt. Die Dichtung 32 wird in der Schließstellung des Schließkörpers 6 von der Dichtfläche 22 dichtend kontaktiert. Die Vorsprünge 17, 18 weisen jeweils einen nutförmigen Kanal zur Aufnahme der Dichtung 31, 32 auf, welcher sich in Längsrichtung des jeweiligen Vorsprungs 17, 18 erstreckt.
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Im Bereich eines der Lagerung 15 zugewandten Randes des Schließkörpers 6 ist eine kreiszylindrische Umfangsfläche 25 der Welle 7 angeordnet. Im Bereich eines der Lagerung 15 abgewandten Randes des Schließkörpers 6 ist eine kreiszylindrische Umfangsfläche 26 der Welle 7 angeordnet. Die kreiszylindrischen Umfangsflächen 25, 26 werden durch die zylindrische Außenkontur der Welle 7 gebildet. Eine Dichtung 33 erstreckt sich in Umfangsrichtung der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25, umgibt den gesamten Umfang der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25 und liegt an der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25 entlang ihres gesamten Umfangs dichtend an. Eine Dichtung 34 erstreckt sich in Umfangsrichtung der kreiszylindrischen Umfangsfläche 26, umgibt den gesamten Umfang der kreiszylindrischen Umfangsfläche 26 und liegt an der kreiszylindrischen Umfangsfläche 26 entlang ihres gesamten Umfangs dichtend an. Die Dichtungen 33, 34 sind an der Wandung des Kanals 5 befestigt und gleiten beim Verschwenken des Schließkörpers 6 über ihre jeweilige kreiszylindrische Umfangsfläche 25, 26. Auch wenn die Dichtung 33 bereits die Lagerung 15 abdichtet, kann zwischen der Dichtung 33 und der Lagerung 15 noch ein Wellendichtring 23 zur Verbesserung der Abdichtung vorgesehen sein.
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Am Übergang von der Dichtung 32 zu der Dichtung 33 ist eine Dichtlippe 35 angeordnet. Die Dichtlippe 35 erstreckt sich in axialer Richtung der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25. Die Dichtlippe 35 liegt an der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25 dichtend an und gleitet beim Verschwenken des Schließkörpers 6 über die kreiszylindrische Umfangsfläche 25. In gleicher Weise ist jeweils eine Dichtlippe 35 zwischen den Dichtungen 32 und 34, 31 und 33 sowie 31 und 34 angeordnet. Durch die Dichtlippen 35 wird eine besonders gute Abdichtung des Schließkörpers 6 in seiner Schließstellung gewährleistet.
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Darüber hinaus sind am Gehäuse 2 eine die Einlassöffnung 3 umgebende Dichtung 36 und eine die Auslassöffnung 5 umgebende Dichtung 37 angeordnet. Das Gehäuse 2 ist als Spritzgussteil aus PPA GF 50 hergestellt. Die Dichtungen 30 bis 37 sind im Zweikomponenten-Spritzgießverfahren an das Gehäuse 2 angespritzt. Eine weitere Dichtung (nicht dargestellt) kann an der dem Stellantrieb 12 zugewandten Fläche des Flansches 13 angebracht sein. Alle Dichtungen 30 bis 37 sind durch im Gehäuse verlaufende Verbindungskanäle, die aus Vereinfachungsgründen in den Figuren nicht dargestellt sind, miteinander verbunden. Die Verbindungskanäle können an oder unter der Oberfläche des Gehäuses verlaufen und ermöglichen, dass die Dichtungen 30 bis 37 von einem Anguss aus gespritzt werden können.
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Wie in 1 erkennbar, enthält die Ausnehmung in der Welle 7 Schlitze 27, 28, um den Schließkörper 6 aufzunehmen. Im Bereich der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25 ist ein Schlitz 27 angeordnet, welcher radial durch die Welle 7 hindurchgeht, und in welchem der Schließkörper 6 steckt. Im Bereich der kreiszylindrischen Umfangsfläche 26 ist ein Schlitz 28 angeordnet, welcher radial durch die Welle 7 durchgeht und in welchem der Schließkörper 6 steckt. Die kreiszylindrischen Umfangsflächen 25, 26 grenzen an den jeweiligen Schlitz 27, 28 an und werden von ihm teilweise durchbrochen. Der Schließkörper 6 ist über Schrauben 38, siehe 5, an der Welle 7 befestigt. An dem der Lagerung 15 zugewandten Rand des Schließkörpers 6 wird durch die Kombination der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25, der Dichtung 33, dem Schlitz 27 und den beiden an der kreiszylindrischen Umfangsfläche 25 anliegenden Dichtlippen 35 eine besonders gute Abdichtung und ein sehr geringer Leckage-Massenstrom gewährleistet. Gleiches gilt analog für die Kombination 26, 34, 28 und 35 an dem der Lagerung 15 abgewandten Rand des Schließkörpers 6.
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Beim Verschwenken des Schließkörpers 6 in seine Schließstellung berühren seine Dichtflächen 21, 22 zunächst die Dichtungen 31, 32. Beim Weiterschwenken des Schließkörpers 6 werden die die Dichtungen 31, 32 elastisch zusammengedrückt. Das Ventil weist einen einzigen Anschlag 29 zum Begrenzen der Schwenkbewegung des die Dichtung 30 elastisch verformenden Schließkörpers 6 bei Erreichen seiner Schließstellung auf. Der Anschlag 29 ist an dem Vorsprung 18 angeordnet, welcher den zu dem stromaufwärtigen Abschnitt 9 des Kanals 5 weisenden Ventilsitz 20 aufweist. Der Schließkörper 6 schlägt bei Erreichen seiner Schließstellung am Anschlag 29 an. Die Schließstellung wird somit nicht durch die Dichtungen 31, 32 sondern durch den Anschlag 29 definiert. Der Schließkörper 6 berührt den Vorsprung 17 nicht.
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Bei der in den 6 und 7 dargestellten Ausgestaltung des Ventils 1 sitzt der Schließkörper 6 in einer als durchgehender Schlitz 39 ausgebildeten Ausnehmung der Welle 7 und ist ebenfalls über Schrauben 38 an der Welle 7 befestigt. Bezüglich der Dichtung 30 kann das in den 6 und 7 dargestellte Ventil 1 in gleicher Weise wie das in den 1 bis 5 dargestellte Ventil ausgestaltet sein.
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Der Schließkörper 6 hat jeweils eine Umfangsfläche 40, siehe insbesondere 2, 5 und 6, welche zwischen den beiden Seiten 21, 22 des Schließkörpers 6 angeordnet ist. Die Umfangsfläche 40 weist Abschnitte 41, 42, siehe 8 bis 15, mit unterschiedlichen Außenmaßen D41, D42 auf. Ein erstes Außenmaß D41 der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 in einem ersten Abschnitt 41 ist kleiner als das kleinste Innenmaß 51 zwischen den Endbereichen der Ausnehmung der Welle 7, in welcher der Schließkörper 6 sitzt. Alle Maße D, S werden parallel zueinander entlang der Drehachse 8 der Welle 7 gemessen. Das kleinste Innenmaß S1 entspricht bei dem Ventil 1 gemäß 1 dem lichten Maß der von den Schlitzen 27 und 28 gebildeten Ausnehmung der Welle 7 in axialer Richtung der Welle 7. Bei der Variante der 6 entspricht das kleinste Innenmaß S1 dem lichten Maß des Schlitzes 39 in axialer Richtung der Welle 7.
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Der Schließkörper 6 hat einen zweiten Abschnitt 42, in welchem ein zweites Außenmaß D42 der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 größer als das kleinste Innenmaß S1 der Ausnehmung der Welle ist. Dadurch werden an der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 Anschlagschultern 43 gebildet, welche insbesondere in den Queransichten quer zur Drehachse 8 der Welle 7 auf die Seite 21 des Schließkörpers 6 gemäß der 8 bis 14 erkennbar ist. In den 8 bis 15 ist lediglich ein dem Stellantrieb 12 zugewandter Bereich des Schließkörpers 6 dargestellt. Der Schließkörper 6 ist jedoch in seinem dem Stellantrieb 12 abgewandten Bereich spiegelsymmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Drehachse 8 orientierten Symmetrieebene gestaltet. Die Schließkörperkontur weist somit an der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 zwei Anschlagschultern 43 auf. An jedem der beiden Endbereiche des Schlitzes 39 bzw. in dem Endbereich des Schlitzes 27 und des Schlitzes 28 befindet sich eine der beiden Anschlagschultern 43. Mit ihren beiden Anschlagschultern 43 liegt die Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 in jedem der beiden Endbereiche der Ausnehmung an der Welle 7 an, wobei die Ausnehmung der Welle 7 in 1 durch die Schlitze 27 und 28 und in 6 durch den Schlitz 39 gebildet wird.
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Der das Außenmaß D41 aufweisende Abschnitt 41 der Umfangsfläche 40 erstreckt sich senkrecht zur Drehachse 8 der Welle 7 innerhalb der Schlitze 27, 28, 39 bis auf die dem Abschnitt 42 der Umfangsfläche 40 gegenüberliegende Seite der Welle 7. Bei der Montage des Schließkörpers 6 in der Ausnehmung der Welle 7 wird der Schließkörper 6 quer zur Drehachse 8 in die Schlitze 27, 28, 39 eingeschoben bis die Anschlagschultern 43 an der Welle 7 anstoßen. Hierdurch werden die entlang der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 durch die Schlitze 27, 28, 39 verlaufenden Leckagepfade verschlossen und die Dichtigkeit der erfindungsgemäßen Ventile 1 in Schließstellung verbessert.
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Zwischen den beiden Abschnitten 41 und 42 enthält die Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 in den Ansichten der 8 bis 13 jeweils einen Geradenabschnitt 44, welcher einen Winkel W von höchstens 45° zu der Drehachse 8 der Welle 7 aufweist. Werden die Anschlagschultern 43 durch gekrümmte Abschnitte der Umfangsfläche 40 gebildet, dann kann alternativ zu dem Geradenabschnitt 44 eine in der Zeichenebene der 8 bis 14 verlaufende Tangente an die Umfangsfläche 40 anlegbar sein, welche einen Winkel von höchstens 45° zu der Drehachse 8 der Welle 7 aufweist. Durch den Winkel W des Geradenabschnitts 44 oder der entsprechenden Tangente wird bei der Montage des Schließkörpers 6 in der Welle 7, insbesondere bei den Ausführungen gemäß 11 und 13, gewährleistet, dass die auftretende Istposition des Schließkörpers 6 in der Welle 7 nicht – aufgrund von Fertigungstoleranzen am Schließkörper 6 und an der Welle 7 – in unzulässiger Weise von seiner gewünschten Sollposition abweicht.
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Wie in den 8 bis 15 erkennbar ist, kann die Art der Anlage der Umfangsfläche 40 des Schließkörpers 6 an der Welle 7 in unterschiedlicher Weise gewährleistet werden, je nachdem, wie die Endbereiche der Ausnehmung 27, 28 bzw. 39 in der Welle 7 gestaltet sind. In den 9 bis 11 enthält beispielsweise der Endbereich der Ausnehmung der Welle 7 jeweils eine Rundung 45. Die Anschlagschulter 43 kann mit ihrem Eckpunkt im Bereich der Rundung 45 an der Welle 7 anliegen, siehe 9 und 10. In den 8, 12, 14 und 15 ist im Endbereich der Ausnehmung der Welle 7 eine Fase 46 angeordnet, an welcher die Anschlagschulter 43 anliegt. Bei allen diesen Ausführungen wird der Kontakt zwischen der Umfangsfläche 40 und der Welle 7 durch eine innerhalb der Ausnehmung der Welle 7 liegende Linienberührung 47 gebildet, da jeweils das Außenmaß D42 kleiner als ein Innenmaß S2 der Ausnehmung am Übergang der Rundung 45 oder der Fase 46 zur Umfangsfläche der Welle 7 auf der dem Abschnitt 42 zugewandten Seite ist. Die Linienberührung 47 verläuft geradlinig, siehe insbesondere 15. In der Ausgestaltung der 14 und 15 ist der die Fase 46 berührende Abschnitt der Anschlagschulter 43 gerundet, beispielsweise durch einen Radius von 0,2 mm. Dieser ist einfach herstellbar und gewährleistet eine sehr gute Abdichtung. Die Ausnehmung 27 bzw. 39 in der Welle 7 kann zur Drehachse 8 symmetrisch ausgebildet sein, wie beispielhaft in den 9 und 14 angedeutet ist, indem auf beiden Seiten der Welle 7 jeweils eine Rundung 45 bzw. Fase 46 vorgesehen ist. Der Schließkörper 6 kann dann bei der Montage von beiden Seiten in die Welle 7 eingeschoben werden. Für eine gute Abdichtung ist jedoch auch eine unsymmetrische Ausgestaltung ausreichend, wie beispielhaft in der 10 angedeutet ist, indem nur auf der der Anschlagschulter 43 zugewandten Seite der Welle 7 eine Rundung 45 oder eine Fase 46 vorgesehen wird. Diese Ausgestaltung ist mit weniger Aufwand herstellbar.
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Die Anschlagschulter 43 kann jedoch auch so groß sein, dass sie eine Rundung 45 im Endbereich der Ausnehmung der Welle 7 überragt, siehe 11. In 13 ist der Endbereich der Ausnehmung der Welle 7 scharfkantig ausgebildet und liegt mit seiner Kante 48 an dem Geradenabschnitt 44 der Anschlagschulter 43 an. Bei den Ausführungen der 11 und 13 liegt der Kontakt zwischen der Umfangsfläche 40 und der Welle 7 außerhalb der Ausnehmung der Welle 7, da jeweils das Außenmaß D42 größer als das Innenmaß S2 ist. Die Differenz des Außenmaßes D42 zu dem Innenmaß S2 ist dabei insbesondere etwas größer als die Differenz des Außenmaßes D41 zu dem Innenmaß S1, um ein sicheres Abdichten zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Einlassöffnung
- 4
- Auslassöffnung
- 5
- Kanal
- 6
- Schließkörper
- 7
- Welle
- 8
- Drehachse
- 9
- Stromaufwärtiger Abschnitt
- 10
- Stromabwärtiger Abschnitt
- 11
- Längsrichtung
- 12
- Stellantrieb
- 13
- Flansch
- 14
- Schrauben
- 15
- Kugellager
- 16
- Rückstelleinrichtung
- 17
- Vorsprung
- 18
- Vorsprung
- 19
- Ventilsitz
- 20
- Ventilsitz
- 21
- Dichtfläche
- 22
- Dichtfläche
- 23
- Wellendichtring
- 25
- Umfangsfläche der Welle 7
- 26
- Umfangsfläche der Welle 7
- 27
- Schlitz
- 28
- Schlitz
- 29
- Anschlag
- 30
- Dichtung
- 31
- Dichtung
- 32
- Dichtung
- 33
- Dichtung
- 34
- Dichtung
- 35
- Dichtlippen
- 36
- Dichtung
- 37
- Dichtung
- 38
- Schrauben
- 39
- Schlitz
- 40
- Umfangsfläche des Schließkörpers 6
- 41
- erster Abschnitt
- 42
- zweiter Abschnitt
- 43
- Anschlagschulter
- 44
- Geradenabschnitt
- 45
- Rundung
- 46
- Fase
- 47
- Linienberührung
- 48
- Kante
- A
- Strömungsrichtung
- D
- Außenmaße des Schließkörpers 6
- S
- Innenmaße der Ausnehmung
- W
- Winkel
